CN201600449U - 一体化微波高度表前端装置 - Google Patents

Abstract

一种一体化微波高度表前端装置，包括发射装置、接收装置和频率源装置；所述发射装置把输入的中频IFin信号与本振混频处理后输出射频RFout信号给天线；所述接收装置把天线输入的射频RFin信号与本振信号混频处理后输出中频IFout信号；所述频率源装置分别输出本振信号给发射装置和接收装置。所述频率源装置输出的本振信号包括发射本振信号和接收本振信号，发射本振信号传送给发射装置，接收本振信号传送给接收装置。作为高度表的核心组件，本一体化微波高度表前端装置的高灵敏度特性，填补了国内***的技术空白。

Description

一体化微波高度表前端装置

技术领域

本实用新型属于电子信息领域，作为一种高度表微波前端装置，其集成接收、发射、频率控制于一体。

背景技术

雷达高度表作为一种主要电子设备，它能在各种气候条件下精确、快速地测量飞行体距离地面的真实高度，利用高分辨率脉冲，将检测到的地貌特性信号传输给控制部分，与其它装置输入数据一起产生控制信号，修正飞行体的航向和高度。因而在飞行控制和导弹制导等领域得到广泛应用和发展，如飞机的自动着陆、地形跟随回避、投弹控制、无(有)人飞机自动导航、巡航导弹地形匹配制导、远程战略导弹弹道测量、修正和空爆引信等广泛应用。微波相较于红外或激光，具有天气适应性强、灵敏度高等特点，是高度表装置的首选方式。目前在微波技术领域占主导地位的主要是西方，我国在该领域起步较晚，技术仍处于发展阶段。作为高度表的关键技术之一，微波高度表前端装置的性能水准就显得尤为重要，其技术指标直接影响高度表的性能。

发明内容

本实用新型解决的问题：现有的微波高度表前端装置在性能指标上仍有待改进，虽然随着技术的发展，一体化、多功能装置越来越普遍，但是其应用要求亦越来越高，需要指标稳定可靠且具有高隔离度，从而提高灵敏性。

本实用新型所采用的技术方案：

一种一体化微波高度表前端装置，包括发射装置、接收装置和频率源装置；所述发射装置把输入的中频IFin信号与本振混频处理后输出射频RFout信号给天线；所述接收装置把天线输入的射频RFin信号与本振信号混频处理后输出中频IFout信号；所述频率源装置分别输出本振信号给发射装置和接收装置。所述频率源装置输出的本振信号包括发射本振信号和接收本振信号，发射本振信号传送给发射装置，接收本振信号传送给接收装置；所述频率源装置包括：第一、二可编程逻辑器件，第一、二分频锁相电路和功分电路；所述功分电路把同一参考频率信号分为两路，分别进入第一、二分频锁相电路；所述第一、二可编程逻辑器件接收外部控制信号，并根据该控制信号分别控制第一、二分频锁相电路的输出频率；所述第一分频锁相电路输出发射本振信号，第二分频锁相电路输出接收本振信号。

还包括自检装置；所述发射装置输出的信号经自检装置后连接天线；所述自检装置包括单刀双开关、固定衰减器和控制电路；所述单刀双开关的输入端连接发射装置的输出端，单刀双开关的两输出端分别连接天线和固定衰减器的输入端，固定衰减器的输出端连接接收装置；所述单刀双开关投掷控制端连接所述控制电路的控制输出端，所述控制电路的输入端连接外部控制信号。

所述发射装置、接收装置、频率源装置和自检装置分别设在独立的EMI结构中，各个装置之间的信号采用同轴方式连接。

所述发射装置包括上变频电路、前级功率放大器、功率控制电路、末级功率放大器、调制电路和电源电路；所述IFin信号与发射本振信号在上变频电路中混频放大后，再依次经前级驱动放大器、功率控制电路和末级功率放大器后输出；所述电源电路连接前级驱动放大器、功率控制电路、末级功率放大器和调制电路，为它们供电；所述功率控制电路的输入端连接外部衰减控制信号；所述调制电路的输入端连接外部TTL控制信号，输出端连接末级功率放大器的漏极脉冲电源；所述功率控制电路还连接有热敏电阻补偿网络。

所述接收装置包括限幅器、低噪声放大器、下变频电路、滤波电路和定向耦合器；所述RFin信号依次经限幅器和低噪声放大器，再在下变频电路中与接收本振信号混频，混频后的信号经滤波电路输出；所述定向耦合器设置在限幅器与低噪声放大器之间，耦合来自自检装置的RFout信号。所述下变频为镜像抑制混频电路；所述下变频的输出端和滤波电路之间还连接有正交电桥。所述滤波电路的输出端也连接负温度补偿电路，该负温度补偿电路是以GaAs器件为核心的电路，对在-45～+70℃温度范围内的输出信号变化进行补偿。

所述频率源装置包括第一、二可编程逻辑器件，第一、二分频锁相电路和功分电路；所述功分电路把同一参考频率信号分为两路，分别进入第一、二分频锁相电路；所述第一、二可编程逻辑器件分别控制第一、二分频锁相电路的输出频率。

所述第一和第二分频锁相电路相同，包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器VCO；第一和第二分频锁相电路分别对应的可编程控制器接收外部的编码信号和触发信号，可编程控制器输出频率控制信号给鉴相器；鉴相器以所述参考频率信号参考，锁定输出的频率点；所述鉴相器的输出经环路滤波器后传入VCO，VCO在鉴相器产生的压控电压的控制下实现频率的产生及改变，并输出所需本振信号。

所述第一和和第二可编程控制器相同，是CPLD，它包括时钟发生器、译码器、移位寄存器和逻辑控制器；

所述时钟发生器接收所述参考频率信号参考，使用分频计数器生成译码器、移位寄存器和逻辑控制器所需的时钟信号；

所述译码器接收外部的控制信号，该控制信号是编码信号，并在逻辑控制器控制下，计算出所需本振频率，直接对应输出并行数据；

所述移位寄存器根据译码器输出的并行数据，在逻辑控制器控制下，按照后级鉴相器的输入要求，串行输出数据、时钟、Load三路信号；

所述逻辑控制器接收外部的触发信号和来自分频锁相电路的锁定信号，对译码器和移位寄存器的动作进行控制。

作为高度表的核心组件，本一体化微波高度表前端装置的高灵敏度特性，填补了国内***的技术空白。

附图说明

图1总***框图

图2详细方案原理框图

图3发射装置原理框图

图4两态功率温补控制电路原理图

图5接收装置原理框图

图6频率源装置原理框图

图7频率源CPLD控制电路原理框图

图8自检装置原理框图

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

一体化微波高度表前端装置包括发射装置、接收装置、频率源装置和自检装置四个部分。发射装置主要实现发射中频信号的上变频、放大、调制和输出功率管理等功能，最后输出给发射天线；接收装置主要实现将天线接收的微波信号通过限幅、低噪声放大、下变频、滤波输出中频信号等功能；频率源装置主要产生相参的发射本振信号和接收本振信号，并在外部数字信号的控制下实现频率跳变，并且自带防失锁功能；自检装置用于在小功率模式时，连接发射和接收，自检组件射频通路工作是否正常，包括单刀双开关、固定衰减器、以及控制电路。

发射装置主要实现发射中频信号的上变频、放大、调制和输出功率管理等功能，最后输出给发射天线。上变频为经典的混频、滤波、放大电路，技术和工艺成熟。其中使用双平衡混频器进行上变频，介质滤波器滤去混频中产生的谐杂波，放大器选用GaAs异质结双极晶体管微波单片，电路形式简单可靠；前级和末级功率放大器均为功率GaAs FET，为了达到电路间合理匹配，进行ADS电路仿真，使得电路稳定、输入输出驻波合理、输出功率满足指标、带宽内功率平坦度高；两个隔离器的作用是防止在大小功率切换和输出继电器开关切换时产生的回波对功率放大器的干扰，防止功率放大器不稳定工作而烧毁；调制电路以外部TTL信号为基准，控制放大器漏极脉冲电源，实现输出信号窄脉冲调制，调制周期400us，脉宽0.9us。

两态功率控制电路主要实现输出功率16W和5W的大小功率切换，并对5W输出态的输出功率做高低温补偿。其电原理如图4。功率控制输入TTL电平，经过驱动器产生驱动电压，提供给PIN管衰减网络，进行信号衰减。当输入为低电平时，PIN加电端为负压，呈现高阻特性，信号不衰减，发射装置输出状态为大功率态信号输出。当功率控制输入高电平时；PIN管加正电压，呈现低阻特性，信号相应衰减，输出功率呈现小功率5W输出态。同时根据PIN管流过的电流的不同，其衰减量不同。利用这个原理，在驱动器输出端加入热敏电阻补偿网络，利用热敏电阻数值随温度变化的特性对衰减量进行补偿，以满足-45～+70℃全温下小功率±2W以内的输出功率精度。而大功率状态下，输出功率的控制是以合适的GaAs FET工作点选取来达到的。此时，调整末级GaAs FET的栅压偏置和漏极电压，使功率放大器工作在合理的工作点，在温度变化时放大器始终工作在饱和状态，达到大功率下输出功率全温变化±1W以内。

接收装置主要实现将天线接收的微波信号通过限幅、低噪声放大、下变频、滤波输出中频信号等功能。此外，在输入端设计一定向耦合器，在自检工作状态时，耦合来自发射口的信号。耦合器为经典定向耦合线；限幅器为PIN二极管限幅电路，防止不正常大功率信号灌入接收装置，烧毁器件。低噪声放大器选用GaAs低噪声FET，进行ADS仿真，使得电路稳定、输入输出驻波合理、放大器增益和噪声满足要求。噪声的大小决定了接收灵敏度的好坏，实际电路测试得出，本发明接收低噪声放大器噪声≤0.9dB；下变频为镜像抑制混频电路，使用正交电桥确保对镜像频率的抑制；输出滤波器为LC带通滤波器，一方面滤去多余杂波，一方面取出中频带宽，提高接收灵敏度；最后输出使用负温度补偿电路，补偿电路所用GaAs器件在-45～+70℃范围内的温度变化。

频率源装置主要产生相参的发射本振信号和接收本振信号，并在外部数字信号的控制下实现频率跳变，并且自带防失锁功能。各自使用单独的电路实现收发隔离，两电路共用同一个参考晶振实现频率相参。频率产生由分频锁相环电路实现。分频锁相具有锁稳定、杂散小、功耗小等特点，由鉴相器、环路滤波器、VC0组成。鉴相器为数字模拟混合集成电路，在CPLD的控制下，以晶振信号为参考，将频率锁定在所需频点；环路滤波器为RC低通滤波器，用于滤去鉴相泄露；VCO在鉴相器产生的压控电压的控制下实现频率的产生及改变。

CPLD用于电路频率控制，跳频反应时间≤22us。其根据逻辑电路控制整个锁相环电路，是整个组件实现频率源防失锁功能的关键。CPLD控制电路的设计基本原理框图如7所示。

1)时钟产生部分，在设计中使用分频计数器产生各分***所需的时钟信号，协调各分***工作；

2)译码部分，根据输入编码及触发信号，计算出所需本振频率，直接对应输出并行数据；

3)移位输出，主要功能为根据译码器输出的并行数据，在逻辑控制下，按照后级鉴相器的输入要求，串行输出数据、时钟、Load三路信号；

4)逻辑控制电路，本部分为设计中的重点，具有开机初始化、失锁重新发码、防止干扰毛刺电平等功能。主要包括以下几个逻辑功能电路设计：

a)上电复位信号产生设计：为了避免上电时逻辑电路中状态的不确定性对***产生影响，各部分功能模块中均有复位功能，在开机时，利用这一电路产生一定延时的复位信号。

b)失锁重触发电路设计：为了防止锁相环失锁，一旦发现锁定信号为失锁状态(低电平)，则重新触发编码发送电路，重置锁相环电路，达到在短时间内重新锁定的目的。

c)触发信号抗干扰设计：为了防止电路将毛刺干扰信号作为触发信号引起误操作，在设计中加入了抗干扰设计，只有触发信号维持一定时间的高电平时，才认为本次触发有效。

自检装置用于在小功率模式时，连接发射和接收，自检组件射频通路工作是否正常，由单刀双开关、固定衰减器、以及控制电路组成。因为这部分将接收装置和发射装置在物理上直接相连，因此，本处的性能将是影响收发隔离度的重要因素之一。普通的电子开关在这里很难满足关断隔离和耐大功率的要求，因此选用继电器开关，其关断隔离≥70dB，工作温度-55～+85℃；在机械结构上采用封闭的屏蔽壁，从空间上屏蔽收发间的干扰。

为了满足超高的收发隔离度要求，采用如下几个方法。

1)电磁兼容设计：将各功能单元采用分模块设计，形成电磁屏蔽的金属墙。使用同轴方式连接，减少空间串扰辐射；加强电源电路的去耦合，防止干扰信号通过共用的电源电路传播，各部分的电源接口采用EM工滤波器和二次稳压相结合去除耦合射频信号。

2)选择合适的电路拓扑：使用两套独立的本振源电路，使装置在电路结构上最大化分离，杜绝收发信号通过电路相互干扰。

3)选择合适的器件类型：对于接收装置和发射装置在电路拓扑上唯一的相连部位，单刀双开关的关断隔离直接影响收发隔离的好坏。选择关断隔离很高的继电器开关，在关断时，使得收发在物理上断开，综合其他各电路性能，最终达到大于130dB的收发隔离。

表1主要指标实际测试结果

从表1可以看出本发明在全温范围具有超高的收发隔离＞130dB，和窄脉冲功率两态温度补偿调制，大功率16W时，全温变化±1W以内；小功率5W时，全温变化±2W以内。

本装置的技术效果如下：

1.收发超高隔离技术

本装置为了满足***体制和实际应用环境的要求，必须在发射装置和接收装置同时工作的情况下保持性能正常，即必须把握装置收发之间的隔离度。本装置采用无源物理隔离技术和混合信号有源隔离及电源隔离设计技术，最终确保产品在功能和性能保持先进性，实现收发隔离≥130dB，远远高于现有技术中的96dB。

2.窄脉冲功率两态温补控制技术

由于产品要求输出脉冲功率在全温范围内达到：16±2W(功率控制信号低电平)、5±1W(功率控制信号高电平)，而发射支路的功率变化因素众多，除了功率放大器本身的温度特性以外，通路中的任何一个部件的变化都会对输出功率产生变化，为实现发射功率在窄脉冲条件下温补并进行两态控制的功能，这就要求发射功放在饱和状态和线性状态都有非常稳定的输出功率，因此，采取两态功率控制技术对输出大、小功率进行选择。同时考虑到器件温度变化性，通过采用温度补偿电路和温补器件等方式，最终成功实现全温范围内组件窄脉冲调制下输出功率的两态稳定性。

3.频率源防失锁功能

锁相环路是一个自动相位控制***，在实际工作中，外部干扰带来的有可能超出自动控制的能力范围，从而导致环路工作状态不可控，从而出现失锁。为了不影响整机的使用，必须要考虑锁相源的抗失锁问题，本装置采用锁相环失锁电平进行检查，发现失锁后重新发码控制锁相环，在本振源的设计中加入防失锁控制，确保组件的稳定性。

Claims (10)

1.一种一体化微波高度表前端装置，包括发射装置、接收装置和频率源装置；所述发射装置把输入的中频IFin信号与本振混频处理后输出射频RFout信号给天线；所述接收装置把天线输入的射频RFin信号与本振信号混频处理后输出中频IFout信号；所述频率源装置分别输出本振信号给发射装置和接收装置，其特征是所述频率源装置输出的本振信号包括发射本振信号和接收本振信号，发射本振信号传送给发射装置，接收本振信号传送给接收装置；所述频率源装置包括：第一、二可编程逻辑器件，第一、二分频锁相电路和功分电路；所述功分电路把同一参考频率信号分为两路，分别进入第一、二分频锁相电路；所述第一、二可编程逻辑器件接收外部控制信号，并根据该控制信号分别控制第一、二分频锁相电路的输出频率；所述第一分频锁相电路输出发射本振信号，第二分频锁相电路输出接收本振信号。

2.根据权利要求1所述的一体化微波高度表前端装置，其特征是还包括自检装置；所述发射装置输出的信号经自检装置后连接天线；所述自检装置包括单刀双开关、固定衰减器和控制电路；所述单刀双开关的输入端连接发射装置的输出端，单刀双开关的两输出端分别连接天线和固定衰减器的输入端，固定衰减器的输出端连接接收装置；所述单刀双开关投掷控制端连接所述控制电路的控制输出端，所述控制电路的输入端连接外部控制信号。

3.根据权利要求2所述的一体化微波高度表前端装置，其特征是所述发射装置、接收装置、频率源装置和自检装置分别设在独立的EMI结构中，各个装置之间的信号采用同轴方式连接。

4.根据权利要求2或3所述的一体化微波高度表前端装置，其特征是所述发射装置包括上变频电路、前级功率放大器、功率控制电路、末级功率放大器、调制电路和电源电路；所述IFin信号与发射本振信号在上变频电路中混频放大后，再依次经前级驱动放大器、功率控制电路和末级功率放大器后输出；所述电源电路连接前级驱动放大器、功率控制电路、末级功率放大器和调制电路，为它们供电；所述功率控制电路的输入端连接外部衰减控制信号；所述调制电路的输入端连接外部TTL控制信号，输出端连接末级功率放大器的漏极脉冲电源；所述功率控制电路还连接有热敏电阻补偿网络。

5.根据权利要求2或3所述的一体化微波高度表前端装置，其特征是所述接收装置包括限幅器、低噪声放大器、下变频电路、滤波电路和定向耦合器；所述RFin信号依次经限幅器和低噪声放大器，再在下变频电路中与接收本振信号混频，混频后的信号经滤波电路输出；所述定向耦合器设置在限幅器与低噪声放大器之间，耦合来自自检装置的RFout信号。

6.根据权利要求5所述的一体化微波高度表前端装置，其特征是所述下变频为镜像抑制混频电路；所述下变频的输出端和滤波电路之间还连接有正交电桥。

7.根据权利要求5所述的一体化微波高度表前端装置，其特征是所述滤波电路的输出端还连接负温度补偿电路，该负温度补偿电路是以GaAs器件为核心的电路，对在-45～+70℃温度范围内的输出信号变化进行补偿。

8.根据权利要求2或3所述的一体化微波高度表前端装置，其特征是所述频率源装置包括第一、二可编程逻辑器件，第一、二分频锁相电路和功分电路；所述功分电路把同一参考频率信号分为两路，分别进入第一、二分频锁相电路；所述第一、二可编程逻辑器件分别控制第一、二分频锁相电路的输出频率。

9.根据权利要求2或3所述的一体化微波高度表前端装置，其特征是所述第一和第二分频锁相电路相同，包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器VCO；第一和第二分频锁相电路分别对应的可编程控制器接收外部的编码信号和触发信号，可编程控制器输出频率控制信号给鉴相器；鉴相器以所述参考频率信号参考，锁定输出的频率点；所述鉴相器的输出经环路滤波器后传入VCO，VCO在鉴相器产生的压控电压的控制下实现频率的产生及改变，并输出所需本振信号。

10.根据权利要求9所述的一体化微波高度表前端装置，其特征是所述第一和和第二可编程控制器相同，是CPLD，它包括时钟发生器、译码器、移位寄存器和逻辑控制器；

所述时钟发生器接收所述参考频率信号参考，使用分频计数器生成译码器、移位寄存器和逻辑控制器所需的时钟信号；

所述译码器接收外部的控制信号，该控制信号是编码信号，并在逻辑控制器控制下，计算出所需本振频率，直接对应输出并行数据；

所述移位寄存器根据译码器输出的并行数据，在逻辑控制器控制下，按照后级鉴相器的输入要求，串行输出数据、时钟、Load三路信号；

所述逻辑控制器接收外部的触发信号和来自分频锁相电路的锁定信号，对译码器和移位寄存器的动作进行控制。

Images